DCS、FCS、CIPS的集成与应用

　　［摘　要］　本文回顾了工业控制系统的发展和DCS、FCS、CIPS系统的特点。重点阐述DCS、FCS、CIPS的集成思想与方案，以适应现阶段的工业应用。
［关键词］　工业控制系统；DCS；FCS；CIPS；集成
1　引　言
　　随着生产由简单过程向大型化、连续化、集成化和复杂化方向发展，与之相应的控制技术、控制理论、控制系统和控制工具都发生了很大的变化。即控制技术由单变量控制技术发展到多变量协调控制技术；控制理论由经典控制理论（基于频域法）发展到现代控制理论（基于时域法）和智能控制理论（基于规则、知识）；控制系统由简单控制系统（如：PID控制、串级、比值、前馈、Smith等）发展到先进控制系统（如：预测、推断、模糊、神经、鲁棒等控制）和综合自动化系统（控制、管理与决策一体化）；控制工具由常规仪器仪表发展到计算机及其网络。
　　计算机技术的发展为先进控制的实现奠定了物质基础，而控制技术的应用又促进了计算机技术的发展，两者密切相关。以计算机为主的控制系统经历了DDC（Direct Digital Control—单机控制系统）、DCS（Distributed Control System—集散控制系统）、FCS（Field Bus Control System—现场总线控制系统）和CIPS（ComputerIntegrated Process System—计算机集成过程控制系统）四个发展阶段。
　　DDC控制集中、危险也集中，一般采用双机／多机系统冗余结构，来保证控制系统的可靠性。为进一步提高控制系统的可靠性，70年代中推出了DCS系统。80年代中～90年代初是DCS发展的顶峰时期，DCS应用广泛，技术成熟。国内企业纷纷引进各种成套的DCS产品，如Honywell的TDC－3000／S9000、WestingHouse的WDPFⅡ／Ⅲ、Bailey的INFI－90、Foxboro的I／AS系、横河的Centum－XL／μXL等。但各厂家的DCS自成封闭的通信体系，难以实现企业内各种DCS系统的集成与综合。
　　90年代出现的新型FCS则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。FCS及其应用是当今研究的热点。
　　以现场总线／DCS为基础的综合自动化系统CIPS集过程控制与综合管理（经营决策、管理、计划、调度等）于一体，便于企业能快速适应风云变换的市场，以增强企业的竞争力。CIPS的实现是未来追求的目标。
2　DCS、FCS、CIPS的体系结构与特点
2．1　DCS
　　典型DCS系统的体系结构一般为三层，即管理级、监控级（工程师站／操作站）和过程控制级，有三DCS过程控制器与现场变送器、执行器之间的连接采用一对一的设备连接方式，需消耗大量的连接电缆且安装和维护费时费力，如图2—1所示。DCS属“半数字”系统，还需大量的AI／AO、DI／DO和PI／PO等中间模板来完成模拟量与数字量间的信息转换。

2．2　FCS
　　FCS系统由于采用了智能现场设备和现场总线，具有以下优点：
①采用一对N的设备连接方式，成本低
　　FCS属“纯数字”系统，无需AI／AO、DI／DO和PI／PO中间模板。基于现场总线的现场设备与操作站之间是一种全数字化、串行、双向、多站的通信模式，系统的可靠性高。而且，用数字信号替代模拟信号传输，在一对双绞线或一条电缆上可挂接多个现场设备，节省硬件数量与投资，节省安装费用，系统的成本低，如图2—2所示。

②实现了彻底的分散控制
　　能够将原先DCS系统中处于控制室的控制功能置入现场设备，直接在现场完成，即就地采集信息、就地处理、就地控制。上位机主要对其进行总体监督、协调、优化控制与管理，实现了彻底的分散控制。
③开放性与互操作性简化了系统的集成　　现场总线的最大特点是采用统一的协议标准，使之具有开放性和互操作性，不同厂家的现场设备可方便地接入同一网络中，且可相互访问，简化了系统的集成。
④信息综合，组态灵活
　　通过数字化传输现场数据，FCS能获取现场设备的各种状态、诊断信息，实现实时的系统监控和管理。FCS引入了功能块概念，使得组态十分方便、灵活，不同现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路；可在上位机上进行组态，完成之后再下装至现场设备；用户根据标识符来指定某一设备，不需考虑设备地址、存储地址等。
　　总之，现场总线具有全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站、互操作的特点，是过程控制系统实现的基础，也是综合自动化系统CIPS数据信息流的起点。
2．3　CIPS
　　集常规控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化系统CIPS是当前自动化发展的趋势和热点。CIPS是在计算机通信网络和分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成、综合管理与决策，最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局最优的高质量、高柔性、高效益的智能生产系统。
　　根据连续生产过程控制与工程总体优化、信息集成的需求，CIPS工程可由生产过程控制分系统、企业综合管理分系统、集成支持分系统、人与组织分系统4个分系统及相应的下层子系统组成，如图2—3所示。

3　DCS、FCS、CIPS的集成
　　计算机网络技术的发展，解决了企业办公自动化的问题，即企业高层的计算机设备互连问题较易实现。而企业过程控制级采用的设备可能是各个时期或各个厂家的产品，是个异构环境。考虑控制技术和生产的延续性与企业的投资效益，不可能完全摈弃原有可行系统，而采用全新技术和设备。企业现场控制网络必将出现多种总线共存、多种系统集成和多种技术集成的局面。
3．1　FCS与DCS的集成
　　多种系统的集成是指现场总线控制系统FCS与传统控制系统（DCS、PLC……）的集成及各种现场总线控制系统FCS之间的集成（因目前仍存在多种现场总线协议，如：FF、Profibus、CAN、LonWorks和HART等）。
　　FCS与DCS集成主要体现在现场通信协议的相容和组态、监控、操作软件的统一。

　　DCS应用广泛、技术成熟，尤其它在先进控制方面已有多年应用。现场总线的功能模块一般只能解决基本的控制问题，而且在现有的技术条件和市场条件下，FCS还不能完全取代DCS，而应考虑两者的集成，以综合DCS和FCS的优势。即FCS实现基本的测控回路，DCS作为高一层的管理协调者实现复杂的先进控制和优化功能。
　　目前，DCS和FCS可以在3个层次上实现集成，如图3—1a、图3—1b、图3—1c所示；　　
　　a．现场总线集成在DCS的I／O层次上，即现场总线设备在DCS中作为I／O卡件的功能出现。
　　b．现场总线集成在DCS网络上，即现场总线通过一个现场总线接口单元挂在DCS的通信网络上。
　　c．DCS和FCS独立工作，通过网关实现通信协议的转换和信息的互访。
　　以上3种集成途径的应用中可能会遇到一些实际困难，因DCS的设计要素不同于FCS，DCS的封闭性限制了现场总线分散化、网络化特点的实现。不同的DCS与不同的FCS集成需相应的转换协议，会出现多种协议共存于现场控制网络的局面。
3．2　基于现场控制网络的CIPS
　　CIPS是集管理与控制于一体的综合自动化系统，往往采用多级递阶控制体系结构（基本控制→先进控制→约束控制→局部优化→全局优化→综合管理与决策）和“分解／综合、协调”的方法。现场控制网络是传输过程信息的基础与关键，是CIPS数据信息流的起点。只有获得过程的大量信息，CIPS才能进行系统的优化、综合管理与决策。
　　通常大型CIPS网含有4类网：最上层采用广域网（WAN）、上层采用办公自动化局域网（TOP），中间层采用制造自动化协议MAP主干网，下层采用现场控制网（工厂底层控制网）。这4类网可通过网桥（Bridge）、路由器（Router）和网关（Gateway）互联成CIPS网或Intranet网。
　　基于现场总线或DCS网络的大中型CIPS网有WAN／TOP／MAP／Fieldbus or DCS网络结构和TOP／MAP／Fieldbus or DCS网络结构、小型CIPS网有LAN／Fieldbus or DCS网络结构及LAN／DCS＋Fieldbus网络结构（即现场控制网络为DCS与FCS的集成）。
　　近两年来许多控制系统设备供应商纷纷采用Ethernet作为工厂底层控制网络的信息传输主干，用以连接系统监控设备和现场高级智能设备且TCP／IP进入现场，使得工厂的管理可以直接进入控制现场。在工业现场最为典型的应用形式是Ethernet＋TCP／IP，基于Ethernet＋TCP／IP的传感器、变送器可以直接成为网络的节点，其控制参数和它的状态可以直接在企业信息网络内传输和共享，从而避免了DCS和FCS因存在多种协议而难集成的局面。
4　结束语
　　DCS应用广泛、技术成熟，但各厂家的DCS自成封闭的通信体系，难以实现全企业内信息的集成与综合。
　　FCS具有全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站、互操作的特点。
　　FCS可视为DCS向下全数字开放的结果，CIPS可视为DCS向上扩展的产物。FCS和DCS侧重于过程的监控与管理，CIPS侧重于企业内信息集成、综合管理与决策。DCS和FCS是CIPS数据信息流的起点。CIPS系统实现的关键技术是网络技术，网络是命脉。今后的自动化系统主要呈现出开放化、集成化、智能化、信息化和网络化的特点。